Capla (2006) pesquisou os fatores que influenciam no acabamento em usinagem de superfícies complexas, em altas velocidades de cortes. Em seus estudos o autor identificou quais as características mais relevantes para preservar a qualidade de uma superfície em função da deflexão da ferramenta devido ao excedente de sobre metal nas operações de desbaste. As variáveis em estudo foram balanço, diâmetro da ferramenta, trajetória da ferramenta e material não uniforme deixado após a usinagem. Durante o seu estudo, Capla (2006) utilizou três corpos de prova com diferentes ângulos (75º), (45º), (7º), na estratégia de usinagem de acabamento ascendente e descendente, comparando sua qualidade superficial. O autor concluiu que quanto menor o ângulo de inclinação no plano (X e Y) maior será o volume de material excedente. Devido à inclinação da superfície, o ponto de contato entre ferramenta e peça proporciona velocidades de corte variável, o que repercutiu no acabamento da superfície muitas vezes de forma negativa. Em regiões de pequenas inclinações (7º) o sentido corte que proporcionou melhor acabamento foi o descendente. Em regiões com inclinação maior (45º, 75º) o sentido de corte que ocasionou melhor acabamento superficial foi o ascendente. Também foi observado que quanto maior comprimento de balanço pior foi o acabamento da superfície.
Ibaraki et al, (2011) destacaram existir melhor precisão dimensional e geométrica em centros de usinagem de cinco eixos. Os autores relacionaram os erros de posicionamento devido às incertezas nos dispositivos de fixação e do próprio processo de orientação em novas fixações. A orientação angular da ferramenta de corte reduz a necessidade de operações secundárias de acabamento mantendo um sobremetal mais uniforme e o ângulo de contato formado entre a
ferramenta e a peça que permite aproveitar melhor a velocidade de corte da ferramenta, melhorando o nível de acabamento da superfície usinada (CHEN et al,
apud PIVETTA, 2005; BOUZAKIS et al, 2003).
Segundo Pivetta (2005) no processo de fresamento a cinemática destas máquinas permite reduzir o número de ferramentas substituindo ferramentas de topo esférico por ferramentas de topo reto mantendo um melhor controle da altura de crista tanto em superfícies rasas quanto em paredes inclinadas no produto. Weinert
et al, (2008) empregaram modelos numéricos por elementos finitos para predizer as
vibrações e a qualidade da superfície gerada no fresamento de paredes finas em máquinas com 5 eixos. Os autores integraram as etapas de modelamento geométrico da peça no sistema CAD com a geração do trajeto da ferramenta. As interações entre os modelos geométricos da peça bruta, o modelo de referência, a peça e a geometria da ferramenta de corte resultaram no movimento de trajeto da ferramenta conforme a estratégia de usinagem e as condições de trabalho pré- estabelecidas. Para validação dos resultados os autores conduziram um experimento de usinagem de uma placa de alumínio (Al 7075 T6) com as seguintes dimensões 80 mm x 40 mm x 5 mm em um centro de usinagem cinco eixos marca Röders modelo TEC RFM 1000 nas mesmas condições da simulação realizada por elementos finitos.
Apesar de a máquina possuir 5 eixos de movimentação a estratégia de usinagem aplicada por Weinert et al, (2008) foi relacionada apenas com 2 eixos, sendo o eixo (Z) para incremento da profundidade de corte. Os autores optaram por esta estratégia para isolar outras fontes de vibrações, tais como a rigidez da estrutura da máquina-ferramenta e o atrito entre as guias dos eixos da máquina.
A Figura 12 apresenta os resultados do experimento e da simulação, a imagem obtida pela simulação e a foto da superfície obtida pelo processo de fresamento.
(a) (b)
(a) (b)
Figura 12 - Medição e simulação das vibrações no fresamento cinco eixos do Al7075. Fonte: Adaptado de Weinert et al. (2008).
Weinert et al, (2008) compararam de forma visual o resultado da usinagem e a imagem de foto realismo gerada pelo simulador da usinagem. No espectro das vibrações geradas pelo sistema máquina-ferramenta-peça os autores identificaram a frequência de 667 Hz para o contato ferramenta-peça e a frequência regenerativa a 1000 Hz.
2.5.1 Deformações relativas entre ferramenta e peça.
Altintas (1995) descreveu que a precisão das superfícies usinadas é afetada pela exatidão de posicionamento da ferramenta em relação à peça. Estas são
produzidas por cargas e forças no momento do corte, contribuindo para o desvio dimensional, resultando em erros geométricos. Estes erros são decorrentes da deflexão da ferramenta devido à ação da força de usinagem. A ferramenta de corte é geralmente a parte mais flexível no conjunto máquina-ferramenta.
Para evitar a deflexão da ferramenta Lópes de lacalle et al,(2004) adotaram a relação comprimento da ferramenta e balanço. Estes pesquisadores utilizaram o seguinte conceito para obter o coeficiente de esbeltez [L3/D4]. Este coeficiente
empregado por Lópes de Lacalle et al, (2004) e Aguiar (2012) com um valor de referência de 20 foi empregado na Equação (1) para determinar o comprimento máximo (L) da ferramenta. L = 3√ coeficiente de esbeltez x D4 (1) L 30 mm Onde: L = comprimento da ferramenta (mm) D = diâmetro da ferramenta (mm)
Para Altintas e Budak (1995) as deflexões são consideradas críticas na usinagem de paredes finas, sendo evidentes em geral em materiais de alta liga, tal como o aço ABNT H13 ou alumínio apresentando espessura inferior a 5 mm e alturas superiores a 30 mm. Segundo os mesmos autores as deflexões estáticas produzem erros de forma e os deslocamentos dinâmicos prejudicam o acabamento da superfície. A Figura 13 ilustra um exemplo de deflexão da ferramenta.
Figura 13 - Deflexão da ferramenta de topo devido à força de usinagem. Fonte: Adaptado de Polli, (2005)
Na Figura 13 representa graficamente o efeito da deflexão na ferramenta no momento do corte, quanto maior a força de corte e o comprimento de balanço maior a deflexão da ferramenta.
López de Lacalle et al, (2006) destacam que os erros dimensionais podem ser minimizados de duas formas. A primeira é através da programação, tentar reduzir as forças médias de corte minimizando assim a deflexão do conjunto máquina- ferramenta-peça. A segunda é através da seleção de diferentes direções de usinagens, no caso de máquinas 4 ou 5 eixos a abordagem pode ser diferente devido à mudança de plano de trabalho e a direção da resultante de força à medida que os eixos movimentam-se simultaneamente.
Segundo Ferreira (2013) os erros de forma na usinagem de geometrias complexas podem ser atribuídos a diversos fatores tais como, erros da máquina (folgas, interpolações, etc), erros de processo (deflexão da ferramenta, folgas em dispositivos de fixação, etc), erros de trajetória no sistema CAM e os erros do sistema de medição. O autor destacou que em seus experimentos as maiores parcelas dos desvios de forma resultaram dos erros de posicionamento dos eixos durante a movimentação da máquina CNC e da deflexão da ferramenta. O mesmo autor relatou a influência do método de interpolação (linear ou circular) na deflexão da ferramenta de corte e por consequência no erro geométrico sugerindo a hipótese de variação do avanço em função do número de segmentos calculados pelo sistema CAM.